Практикум по электродинамике

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 37

Знакомство с осциллографом и определение параметров переменного тока по осциллограмме

Цели: ознакомиться с устройством и принципом работы осциллографа; изучить осциллограмму переменного тока.

Оборудование: осциллограф ОМШ-3М (или другой малогабаритный лабораторный); руководство по эксплуатации осциллографа; звуковой генератор лабораторный; вольтметр переменного тока (авометр, мультиметр); соединительные провода – 2 шт.

Краткая теория

(Излагается по учебнику в соответствии с программой.– Ред.)

<...> Основной частью осциллографа является электронно-лучевая трубка (рис. 2). Электроны испускаются расположенной в конце узкой части трубки 1 электронной пушкой, которая состоит из нити накала 2 и катода 3. Модулятор 4 регулирует поток летящих к экрану электронов 5. На анод 6 (их может быть два) подаётся фокусирующее и ускоряющее пучок электронов напряжение. Далее расположены вертикально 7 и горизонтально 8 отклоняющие пластины. Внутренняя часть экрана 9 трубки покрыта специальным веществом – люминофором, – способным светиться под действием пучка электронов <...>

Рис. 2. Электронно-лучевая трубка

Количество колебаний, наблюдаемых на экране, зависит от соотношения периодов исследуемого сигнала и пилообразного напряжения развёртки (рис. 5, а, б). При совпадении частот электронный луч на экране вычерчивает один период напряжения сигнала (рис. 5, а). Если же частота генератора развёртки будет в 2, 3 и т.д. раза меньше частоты колебаний исследуемого сигнала, то будут вычерчены два, три и т.д. периода. <...>

Рис. 5

Масштабная сетка на экране позволяет определить напряжение входного сигнала при известном положении калибровочного переключателя <...>

Вопросы для самоконтроля по теории

1. Как устроена и работает электронно-лучевая трубка?

2. Напишите уравнение переменного тока и напряжения.

3. Что понимают под амплитудным значением силы тока? напряжения?

4. Что называют периодом колебаний тока?

5. Что называют частотой колебаний тока?

6. Чему равна промышленная частота переменного тока? Что означает это число?

7. От чего зависит количество наблюдаемых на экране электрических колебаний?

Практическая работа

Задание 1: ознакомьтесь с осциллографом

1. Выясните назначение гнёзд, ручек и кнопок управления осциллографа (рис. 7), пользуясь руководством по эксплуатации и предложенной литературой: 1 – «Вход Х»: гнёзда от горизонтально отклоняющих пластин; 2 – «Вход Y»: гнёзда от вертикально отклоняющих пластин; 3 – ручка управления смещением луча по горизонтали; 4 – ручка управления смещением луча по вертикали; 5 – ручка регулировки (фокусировки) размера пятна на экране; 6 – ручка управления яркостью пятна; 7 – экран; сверху наложена масштабная сетка; 8 – кнопки управления уровнем усиления входного сигнала по вертикали; 9 – кнопка управления частотой напряжения развёртки (пилообразного напряжения); 10 – ручка плавного регулирования частотой напряжения развёртки; 11 – кнопка отключения напряжения развёртки; 12 – кнопка выбора режима синхронизации.

Рис. 7. Внешний вид осциллографа ОМШ-3М

2. Включите осциллограф в сеть. Ручки «яркость» и «фокус» поставьте в максимальное положение и дождитесь появления светящейся точки на экране.

3. Регуляторами перемещения луча по вертикали и горизонтали установите светящуюся точку в центре экрана.

4. Регуляторами яркости свечения и фокусировки луча установите удобную для наблюдения форму точки.

5. Подайте постоянное напряжение 4–6 В (например, от «квадратной» батареи) в той или иной полярности на «Вход Х» и следите за перемещением луча влево–вправо. Объясните наблюдаемое явление.

6. Подайте постоянное напряжение 4–6 В в той или иной полярности на «Вход Y» и следите за смещением луча вверх–вниз. Зная цену деления масштабной сетки, в зависимости от нажатой кнопки управления уровнем усиления входного сигнала, определите примерное значение напряжения.

7. Разверните луч по горизонтали, используя кнопки переключателя диапазона частот напряжения развёртки.

8. Повторите опыты пункта 6 при развёрнутом луче. Объясните наблюдаемое явление.

Задание 2: изучите осциллограмму переменного тока

1. Подайте переменное напряжение от звукового генератора на «Вход Y» и «» осциллографа (рис. 8). Кнопками переключателя делителя входного напряжения установите амплитуду колебаний в пределах экрана электронно-лучевой трубки.

Рис. 8. Получение осциллограмм сигналов от звукового генератора

2. Установите на экране неподвижную картину из нескольких периодов колебаний, меняя частоту генератора управления развёрткой.

3. Меняя уровень входного напряжения звукового генератора ручками управления уровня входного сигнала осциллографа, установите амплитуду колебаний в пределах экрана. По масштабной сетке определите примерное значение напряжения сигнала. Убедитесь в правильности измерения, подключив вольтметр переменного тока к выходу звукового генератора.

4. Подайте на «Вход Y» осциллографа переменное напряжение промышленной частоты (50 Гц) в пределах 5–10 В от лабораторного источника питания и по масштабной сетке определите амплитудное значение напряжения.

5. Зная амплитудное напряжение, вычислите его действующее (эффективное) значение.

Задание 3

Отключите напряжение развёртки и установите светящуюся точку в середине экрана. Подайте переменное напряжение (промышленное или от звукового генератора) поочерёдно к входам осциллографа «Y» и «Х» и объясните наблюдаемое явление.

Контрольные вопросы и задания

1. Объясните назначение основных узлов осциллографа: блока развёртки; блока синхронизации; блока управления.

2. Объясните назначения ручек и кнопок управления осциллографом.

3. Как с помощью осциллографа определить напряжение и частоту электрических колебаний?

Изучение устройства и принципа работы электромагнитных телефона и микрофона

Цели: ознакомиться с устройством и принципом работы электромагнитного телефона; ознакомиться с принципом работы электромагнитного микрофона.

Оборудование: капсюль от телефона ТОН-2 – 2 шт.; осциллограф лабораторный; звуковой генератор; омметр; камертон на резонаторном ящике с молоточком; источник питания 5–6 В; соединительный провод в изоляции длиной 3 м – 2 шт.

Краткая теория

(Излагается по учебнику в соответствии с программой. – Ред.)

Вопросы для самоконтроля по теории

1. Как устроен электромагнитный телефон?

2. Объясните принцип работы телефона.

3. Как устроен электромагнитный микрофон?

4. Объясните принцип работы микрофона.

Задание 1: изучите устройство и принцип работы телефона

1. Отверните крышку телефонного капсюля и ознакомьтесь с его устройством; найдите мембрану, стержень, катушку. Заверните крышку на место.

2. Измерьте омметром сопротивление катушки.

3. Соберите электрическую цепь по рис. 11. Пропустите ток по катушке телефона в разных направлениях и следите за появлением характерных звуков – щелчков.

Рис. 11

4. В какие моменты возникают щелчки? Почему?

5. Подключите телефонный капсюль к выходу источника переменного тока – звуковому генератору – и послушайте изменение издаваемого мембраной телефона звука при изменении частоты генератора.

6. Объясните наблюдаемое явление.

Задание 2: изучите принцип работы микрофона

1. Включите выводы микрофона (телефонного капсюля) к вертикальному входу лабораторного осциллографа и наблюдайте осциллограмму звуковых колебаний, преобразованных микрофоном в электрические.

2. Установите микрофон перед резонаторным ящиком камертона и наблюдайте синусоидальные колебания на экране (рис. 12).

Рис. 12

3. Выключите напряжение развёртки осциллографа и, подключая микрофон поочерёдно к вертикально отклоняющим пластинам («Вход Y») и к горизонтально отклоняющим пластинам («Вход Х»), наблюдайте колебания электронного луча.

4. Объясните наблюдаемое явление.

Задание 3: испытайте в работе простейшее переговорное устройство

1. Соедините согласно рис. 13 два телефонных капсюля двужильным проводом длиной 3–4 м.

Рис. 13

2. Если постукивать пальцем по крышке капсюля, принятого за микрофон, то в телефоне слышатся отчётливые звуки. Объясните их происхождение.

Примечание. Любой капсюль можно использовать и как микрофон, и как телефон.

3. Возьмите с товарищем по капсюлю и расположитесь в разных комнатах так, чтобы не слышать голоса друг друга. Переговаривайтесь между собой по принципу «Приём–передача».

Контрольные вопросы и задания

1. Какой частоты звук издаёт телефонный капсюль, если его подключить к источнику переменного сетевого напряжения промышленной частоты? Ответ проверьте экспериментально, подключившись к такому источнику напряжением до 10 В.

2. Если в телефонном капсюле намагниченный подковообразный стержень заменить ненамагниченным, то мембрана при прохождении переменного тока будет колебаться с удвоенной частотой и искажать звук, делая его выше. Почему это происходит?

Сравнение амплитудного и действующего значений переменного напряжения

Цель: найти соотношение между амплитудным и действующим значениями напряжений в цепях переменного тока.

Оборудование: макетная плата; источник переменного тока на 4–10 В; выпрямительный диод КД209; оксидный конденсатор на 500–1000 мкФ; вольтметры постоянного и переменного тока (или авометр); осциллограф; соединительные провода – 8 шт.

Краткая теория

(Излагается по учебнику в соответствии с программой.– Ред.)

Вопросы для самоконтроля по теории

1. Какие параметры характеризуют переменный ток?

2. Что такое действующее (эффективное), мгновенное и амплитудное значения переменного тока и напряжения?

3. Какова связь между действующим и амплитудным значениями силы тока и напряжения?

4. Почему в схеме на рис. 14 вольтметр переменного тока PV1 показывает действующее значение переменного напряжения, а вольтметр постоянного тока PV2 – его амплитудное значение?

Рис. 14. Принципиальная (а) и монтажная (б) схемы

Практическая работа

Задание 1: проверьте соотношение между действующим и амплитудным значением переменного тока

1. Соберите схему по рис. 14.

2. Измерьте действующее значение напряжения U вольтметром переменного тока PV1 и амплитудное значение напряжения U_m вольтметром постоянного тока PV2.

3. Найдите отношение амплитудного значения напряжения к действующему и убедитесь, что

Примечание. В работе рекомендуем использовать вольтметр с большим внутренним сопротивлением.

Задание 2: сравните осциллограммы постоянного (выпрямленного) и переменного напряжений

1. Подключайте вход осциллографа «Y» поочерёдно то параллельно конденсатору (т. 4), то параллельно вторичной обмотке трансформатора (т. 1), как показано на рис. 14 пунктиром, и, наблюдая осциллограммы, убедитесь в том, что напряжение на конденсаторе равно амплитудному значению синусоидальных колебаний на выходе трансформатора.

2. Зарисуйте в тетради в одних и тех же масштабах наблюдаемые осциллограммы. Пользуйтесь масштабной сеткой экрана.

_______________________________________

Печатается выборочно по учебному пособию: П.П.Головин. Фронтальные лабораторные работы и практикум по электродинамике. – Ульяновск: Корпорация технологий продвижения, 2005), см. также № 2/05. Примерно половина рисунков опущена. – Ред.